整理DLT6841999大型发电机变压器继电保护整定计算导则.docx
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整理DLT6841999大型发电机变压器继电保护整定计算导则
K45
备案号：
6763—2000
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中华人民共和国电力行业标准
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DL/T684—1999
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大型发电机变压器继电保护
整定计算导则
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Guideofcalculatingsettingsofrelay
protectionforlargegeneratorandtransformer
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2000-02-24批准2000-07-01实施
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中华人民共和国国家经济贸易委员会发布
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前言
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本标准根据原能源部1992年电供函［1992］11号《关于组织编制大机组继电保护装置运行整定条例函》的要求以及广大继电保护工作者的迫切需要而制定。
本标准的制定和实施将对提高发电机变压器继电保护装置的正确动作率、保障电气设备的安全及维持电力系统的稳定运行有重要意义。
在国家电力调度通信中心及中国电机工程学会继电保护专委会等单位的组织领导下，经过深入调查研究，广泛征求国内各有关单位的专家、教授及广大继电保护工作者的意见，组织多次专题讨论，反复修改条文内容，先后数易其稿，历经数年终于完成了本标准的编制任务。
本标准以GB14285—93《继电保护和安全自动装置技术规程》为依据进行编制。
本标准的附录A、附录B都是标准的附录。
本标准的附录C、附录D、附录E、附录F、附录G、附录H、附录J、附录K、附录L和附录M都是提示的附录。
本标准由原能源部电力司、科技司共同提出。
本标准由原电力工业部继电保护标准化技术委员会归口。
本标准起草单位：
华北电力设计院、东北电力设计院、清华大学。
本标准参加起草单位：
东北电力调度局、西北电力试验研究院。
本标准主要起草人：
王维俭、孟庆和、宋继成、闫香亭、毛锦庆、侯炳蕴、李玉海。
本标准由国家电力调度通信中心负责解释。
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前言
1范围
2引用标准
3总则
4发电机保护的整定计算
定子绕组内部故障主保护
发电机相间短路后备保护
定子绕组单相接地保护
励磁回路接地保护
发电机过负荷保护
发电机低励失磁保护
发电机失步保护
发电机异常运行保护
5变压器保护的整定计算
变压器纵差保护
变压器分侧差动保护
变压器零序差动保护
变压器瓦斯保护
变压器相间短路后备保护
变压器接地故障后备保护
变压器过负荷保护
变压器过励磁保护
6发电机变压器组保护的整定计算
概述
发电机变压器组保护整定计算特点
附录A（标准的附录）发电机定子绕组对地电容，机端单相接地电容电流及单相接地电流允许值
附录B（标准的附录）本标准用语说明
附录C（提示的附录）发电机变压器继电保护整定计算导则有关文字符号
附录D（提示的附录）发电机若干异常运行状态的要求
附录E（提示的附录）大型汽轮发电机组对频率异常运行的要求
附录F（提示的附录）系统联系电抗Xcon的计算
附录G（提示的附录）自并励发电机外部短路电流的计算
附录H（提示的附录）电力系统振荡时阻抗继电器动作特性分析
附录J（提示的附录）变压器电容参数估算值
附录K（提示的附录）保护用电流互感器的选择
附录L（提示的附录）变压器电抗的计算
附录M（提示的附录）非全相故障计算
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中华人民共和国电力行业标准
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大型发电机变压器继电保护
整定计算导则
DL/T684—1999
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Guideofcalculatingsettingsofrelay
protectionforlargegeneratorandtransformer
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1范围
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本标准规定了大型发电机变压器继电保护的整定计算原则和方法，它是设计、科研、运行、调试和制造部门整定计算的依据。
本标准适用于GB14285所规定的发电机、变压器容量范围，重点规定了200MW及以上发电机与220～500kV变压器的继电保护的整定计算原则和方法。
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2引用标准
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下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条文。
本标准出版时，所示版本均为有效。
所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。
GB1208—87电流互感器
GB14285—93继电保护和安全自动装置技术规程
GB／T7064—1996透平型同步电机的技术要求
IEC44—6（1992）互感器第6部分：
保护电流互感器动态性能的要求
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3总则
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本标准是发电机变压器继电保护整定计算的基本依据，设计、科研、运行、调试和制造部门应共同遵守。
发电机变压器继电保护整定计算的主要任务是：
在工程设计阶段保护装置选型时，通过整定计算，确定保护装置的技术规范；对现场实际应用的保护装置，通过整定计算，确定其运行参数（给出定值）。
从而使继电保护装置正确地发挥作用，保障电气设备的安全，维持电力系统的稳定运行。
发电机变压器继电保护装置的技术性能，必须与本标准中提出的具体规定和要求相符合。
发电机变压器继电保护装置必须满足可靠性、选择性、速动性及灵敏性的基本要求，正确而合理的整定计算是实现上述要求的关键。
本标准不涉及发电机变压器继电保护的配置；不列举保护装置的具体型式；按不同原理的保护分类编制；整定计算方法适用于国内通用的主要保护原理，本标准所列原理之外的保护其整定计算方法可参考制造厂家技术说明书。
部分保护装置的动作时限是根据GB14285给出的；对于未给出动作时限的保护装置，其动作时限应根据设备条件及电力系统的具体情况决定。
为简化计算工作，可按下列假设条件计算短路电流：
可不计发电机、调相机、变压器、架空线路、电缆线路等阻抗参数中的电阻分量；在很多情况下，可假设旋转电机的负序阻抗与正序阻抗相等。
发电机及调相机的正序阻抗，可采用次暂态电抗X″d的饱和值。
各发电机的等值电动势（标么值）可假设为1且相位一致。
仅在对失磁、失步、非全相等保护装置进行计算分析时，才考虑电动势之间的相角差问题。
只计算短路暂态电流中的周期分量，但在纵联差动保护装置（以下简称纵差保护）的整定计算中以非周期分量系数Kap考虑非周期分量的影响。
发电机电压应采用额定电压值，系统侧电压可采用额定电压值或平均额定电压值，不考虑变压器电压分接头实际位置的变动。
不计故障点的相间和对地过渡电阻。
与电力系统运行方式有关的继电保护的整定计算，应以常见运行方式为计算用运行方式。
所谓常见运行方式，是指正常运行方式和被保护设备相邻一回线或一个元件停运的正常检修方式。
对于运行方式变化较大的系统，应由调度运行部门根据具体情况确定整定计算所依据的运行方式。
根据GB14285的规定，按照故障和异常运行方式性质的不同，机组热力系统和调节系统的条件，本标准所列各项保护装置分别动作于：
a）停机：
断开发电机或发电机变压器组（简称发—变组）断路器、灭磁，关闭原动机主汽门或导水叶，断开厂用分支断路器。
b）解列灭磁：
断开发电机或发—变组断路器和厂用分支断路器、灭磁，原动机甩负荷。
c）解列：
断开发电机或发—变组断路器，原动机甩负荷。
d）降低励磁。
e）减出力：
将原动机出力减至给定值。
f）缩小故障范围（例如断开母联或分段断路器）。
g）程序跳闸：
对于汽轮发电机，先关主汽门，待逆功率继电器动作后再断开发电机或发—变组断路器并灭磁；对于水轮发电机，先将导水叶关到空载位置，待逆功率继电器动作后再断开发电机或发—变组断路器并灭磁。
h）信号：
发出声光信号。
除特殊说明外，本标准列出的计算公式，无论用有名值或标么值进行计算，其计算结果（电流、电压、阻抗等）应以二次侧有名值的形式给出。
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4发电机保护的整定计算
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定子绕组内部故障主保护
定子绕组内部故障包括相间短路、同相不同分支间短路、同相同分支匝间短路和定子绕组的分支开焊故障。
比率制动式纵差保护
比率制动式纵差保护仅反应相间短路故障。
具有比率制动特性的差动保护的二次接线如图1所示。
当差动线圈匝数Wd与制动线圈匝数Wres的关系为时，
差动电流
制动电流
式中：
，——一次电流；
，——二次电流；
na——电流互感器变比。
图1比率制动式差动保护原理接线图
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差动保护的制动特性如图2中的折线ABC所示。
图中，纵坐标为差动电流Id，横坐标为制动电流Ires。
为了正确进行整定计算，首先应了解纵差保护的不平衡电流与负荷电流和外部短路电流间的关系。
发电机纵差保护用的10P级电流互感器，在额定一次电流和额定二次负荷条件下的比误差为±3%。
因此，纵差保护在正常负荷状态下的最大不平衡电流不大于6%。
但随着外部短路电流的增大和非周期暂态电流的影响，电流互感器饱和，不平衡电流将急剧增大，实际的不平衡电流与短路电流的关系曲线如图2中的曲线OED所示。
图2比率制动式差动保护的制动特性
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发电机外部短路时，差动保护的最大不平衡电流由式
（1）进行估算
（1）
式中：
Kap——非周期分量系数，取～；
Kcc——互感器同型系数，取；
Ker——互感器比误差系数，取；
——最大外部三相短路电流周期分量。
比率制动特性纵差保护需要整定计算以下三个参数：
1）确定差动保护的最小动作电流，即确定图2中A点的纵座标为
（2）
式中：
Krel——可靠系数，取；
Ign——发电机额定电流；
——发电机额定负荷状态下，实测差动保护中的不平衡电流。
实际可取＝～Ign／na，一般宜选用～Ign／na。
如果实测较大，则应尽快查清增大的原因，并予消除，避免因过大而掩盖一、二次设备的缺陷或隐患。
发电机内部短路时，特别是靠近中性点经过渡电阻短路时，机端或中性点侧的三相电流可能不大，为保证内部短路时的灵敏度，最小动作电流不应无根据地增大。
2）确定制动特性的拐点B。
定子电流等于或小于额定电流时，差动保护不必具有制动特性，因此，B点横坐标
＝～Ign／na（3）
当＞Ign／na时，应调整保护内部参数，使其满足式（3）。
3）按最大外部短路电流下差动保护不误动的条件，确定制动特性的C点，并计算最大制动系数。
设C点对应的最大动作电流为，其值为
＝（4）
式中：
Krel——可靠系数，取～。
C点对应的最大短路电流与最大制动电流相对应。
C点的最大制动系数按下式计算
＝／＝KrelKapKccKer（5）
式（5）的计算值为＝，可确保在最大外部短路时差动保护不误动。
但考虑到电流互感器的饱和或其暂态特性畸变的影响，为安全计，宜适当提高制动系数值。
图2中，取C点的≈。
该比率制动特性的斜率S为
（6）
根据上述计算，由A、B、C三点确定的制动特性，确保在负荷状态和最大外部短路暂态过程中可靠不误动。
按上述原则整定的比率制动特性，当发电机机端两相金属性短路时，差动保护的灵敏系数一定满足Ksen≥的要求，不必进行灵敏度校验。
标积制动式纵差保护
设发电机机端和中性点侧电流分别为和，它们的相位差为，令标积ItIncos为制动量，为动作量，构成标积制动式纵差保护，其动作判据为
（7）
式中：
Kres——制动系数，取～。
外部短路时，＝0°，式（7）右侧表现为很大的制动作用。
当发电机内部短路时，可能呈现90°＜＜270°，使cos＜0,式（7）右侧呈现负值，即不再是制动量而是助动量，保护灵敏动作。
本保护仅反应相间短路故障。
故障分量比率制动式纵差保护
该保护只与发生短路后的故障分量（或称增量）有关，与短路前的穿越性负荷电流无关，故有提高纵差保护灵敏度的效果。
本保护仅反应相间短路故障，其动作判据为
（8）
式中：
Δ——发电机机端侧故障分量电流；
Δ——发电机中性点侧故障分量电流。
故障分量纵差保护的动作特性如图3，图中＝－，Δ＝。
直线1为故障分量纵差保护在正常运行和外部短路时的制动特性；直线2为故障分量纵差保护在内部短路时的动作特性，其斜率S≥；直线3为故障分量纵差保护的整定特性。
整定计算如下：
a）纵差保护动作特性（直线3）的倾角，一般取＝45°，即制动系数Kres＝。
b）最小动作电流ΔId0≈／na，或ΔId0＞负荷状态下微机输出最大不平衡增量差流。
c）灵敏系数校验：
Ksen＝ΔId／ΔIres＝DC／BC，要求Ksen≥，一般不必进行校验计算。
图3故障分量比率制动式纵差保护动作特性
不完全纵差保护
本保护既反应相间和匝间短路，又兼顾分支开焊故障。
设定子绕组每相并联分支数为a，在构成纵差保护时，机端接入相电流［图4（a）中的TA2］,但中性点侧TA1每相仅接入n个分支，a与n的关系如下式
1≤N≤（9）
式中：
a与N的取值见表1。
表1a与n的关系
a
2
3
4
5
6
7
8
9
10
N
1
1
2
2
2或3*
2或3*
3或4*
3或4*
4或5*
*与装设一套或二套单元件横差保护有关。
图4（a）中互感器TA1与TA2构成发电机不完全纵差保护。
TA5与TA6构成发—变组不完全纵差保护，而TA3与TA4构成变压器的完全纵差保护。
TA1的变比按条件选择；TA2的变比按Ign／I2n条件选择，因此TA1的变比一定不同于TA2的。
对于微机保护，TA1、TA2可取相同变比，由软件调平衡。
图4（b）表示发电机中性点侧引出4个端子的情况，TA1和TA5装设在每相的同一分支中。
图4（c）表示每相8个并联分支的大型水轮发电机，发电机不完全纵差保护每相接入的中性点侧电流（TA1）分支数为2、5、8，发—变组不完全纵差保护（TA5）则为1、4、7。
图4发电机和发—变组纵联差动保护的互感器配置
本保护不仅反应相间短路，还能对匝间短路和分支开焊起保护作用，其基本原理是利用定子各分支绕组间的互感，使未装设互感器的分支短路时，不完全纵差保护仍可能动作。
比率制动特性发电机不完全纵差保护的整定计算工作，除互感器变比选择不同于完全纵差保护外，其余均可按，但当TA1与TA2不同型号时，互感器的同型系数应取Kcc＝。
单元件横差保护
本保护反应匝间短路和分支开焊以及机内绕组相间短路。
a）传统单元件横差保护
图4（a）和图4（b）中，接于发电机中性点连线的互感器TA0用于单元件横差保护。
TA0的变比选择，传统的做法按下式计算
na≈／I2n（10）
式中：
Ign——发电机额定电流；
I2n——互感器TA0的二次额定电流。
动作电流Iop按外部短路不误动的条件整定。
当横差保护的三次谐波滤过比大于或等于15时，其动作电流为
Iop＝～Ign／na（11）
在励磁回路一点接地保护动作后，发电机可继续运行，为防止励磁回路发生瞬时性第二点接地故障时横差保护误动，应切换为带～延时动作于停机。
b）高灵敏单元件横差保护
图4中的TA0（包括TA01和TA02）均为环氧树脂浇注的单匝母线式互感器（LMZ型），应满足动、热稳定的要求。
高灵敏单元件横差保护用的互感器变比na，根据发电机满载运行时中性点连线的最大不平衡电流，可选为600／I2n、400／I2n、200／I2n、100／I2n。
初步设计时，宜选前三组na。
为了减小动作电流和防止外部短路时误动，在额定频率工况下，该保护的三次谐波滤过比K3应大于80。
高灵敏单元件横差保护动作电流设计值可初选为／na。
作为该保护动作电流的运行值应如下整定：
1）在发电机作常规短路试验时，实测中性点连线电流的基波和三次谐波分量大小和，此即单元件横差保护的不平衡电流一次值，如图5的OC和OA（近似线性）。
图5单元件横差保护的不平衡电流（Iunb）测试和线性外推
2）将直线OC和OA线性外推到（发电机机端三相短路电流），得直线OCD和OAB，确定最大不平衡电流和。
3）计算和整定动作电流运行值
（12）
式中：
Krel——可靠系数，取～；
Kap——非周分量系数，取～2.０；
K3——三次谐波滤过比，K3≥80。
4）如不装励磁回路两点接地保护，则高灵敏单元件横差保护兼顾励磁回路两点接地故障的保护，瞬时动作于停机。
5）如该保护中有防外部短路时误动的技术措施，动作电流Iop只需按发电机额定负荷时横差保护的不平衡电流整定。
多分支分布中性点水轮发电机的综合差动保护
本保护反应发电机相间、匝间短路和分支开焊故障。
如图6所示，该发电机每相6并联分支装设3套差动保护，即：
——不完全纵差保护1（2、4、6分支的TA1与TA2）；
——裂相横差保护2（1、3、5分支的TA1与2、4、6分支的TA1）；
——高灵敏单元件横差保护3（TA0）。
保护1和3已经阐明，这里只讨论裂相横差保护2。
（a）每相6并联分支装3套差动保护；（b）裂相横差保护原理图
图6多分支分布中性点水轮发电机综合差动保护二次接线图
裂相横差保护就是将一台每相并联分支数为偶数的发电机定子绕组一分为二，各配以电流互感器TA1，其变比为，a为每相并联分支数。
该保护采用比率制动特性，其整定计算与比率制动式纵差保护相似，但最小动作电流和最大制动系数均较大。
由负荷工况下最大不平衡电流决定，它由两部分组成，即两组互感器在负荷工况下的比误差所造成的不平衡电流；由于定子与转子间气隙不同，使各分支定子绕组电流也不相同，产生的第二种不平衡电流。
因此，裂相横差保护的比纵差保护的大。
（13）
≤～Ign／na（14）
＝～（15）
裂相横差保护也可应用于每相并联分支数为奇数的发电机，此时两个互感器的变比将不同，或者仍用相同变比na＝Ign／I2n，增设中间互感器；微机保护可用软件调平衡。
纵向零序过电压保护
发电机定子绕组同分支匝间、同相不同分支间或不同相间短路时，会出现纵向（机端对中性点）零序电压，该电压由专用电压互感器（互感器一次中性点与发电机中性点相连，不接地）的开口三角绕组取得。
a）零序过电压保护的动作电压设计值可初选为
＝2～3（V）
b）为防止外部短路时误动作，可增设负序方向继电器，后者具有动合触点，当发电机内部短路时，触点闭合。
c）三次谐波电压滤过比应大于80。
d）该保护应有电压互感器断线闭锁元件。
转子回路二次谐波电流保护
发电机定子绕组内部短路时产生的负序电流，可以用装设在转子回路中的电抗变压器以二次谐波电压的形式来反应。
该保护的二次谐波动作电压Uop，应按下述原则整定：
在发电机长期允许的负序电流下，实测转子回路中的电抗变换器输出二次谐波电压，则
（16）
实测是在做发电机常规短路试验时，在很低的励磁电压下，作机端两相稳态短路试验，使定子负序电流等于，对应测得转子回路中电抗变换器的。
由于励磁电压变化范围大，为空载额定励磁电压的6～8倍，可靠系数Krel应取较大值，一般为～。
发电机外部短路时，转子电流中也有二次谐波，因此必须增设机端的负序方向元件作闭锁。
负序功率方向元件采用动合触点。
当发电机内部短路时，负序功率由发电机流入系统，方向元件动合触点闭合。
为防止外部短路暂态过程中此保护瞬时误动，保护应增设～延时。
故障分量负序方向保护
利用故障分量负序电压和电流（和），构成故障分量负序方向保护，其动作判据为
（17）
式中：
——的共轭相量；
——负序方向灵敏角，一般取75°。
故障分量负序方向继电器是一种方向元件，其阈值p2很小，具体数值由继电器制造厂家供给，一般不作整定计算。
故障分量负序方向保护无需装设TV或TA的断线闭锁元件，但TV断线应发信号，保护较简单；但当发电机未并网前，因ΔI2＝0，保护失效，为此还应增设各种辅助判据，其原理和定值整定随各制造厂家而异，详见厂家技术说明书。
发电机相间短路后备保护
大机组所在电厂的220kV及以上电压等级的出线，要求配置双套快速主保护，并有比较完善的近后备保护，不再强调要求发—变组提供远后备保护。
大型发—变组本身已配备双重或更多的主保护（例如，发电机纵差、变压器纵差、发—变组纵差、高灵敏单元件横差等）。
尽管如此，大机组装设简化的后备保护仍是必要的。
对于中小型机组，不装设双重主保护，应配置常规后备保护，并使其对所连接高压母线和相邻线路的相间短路故障具有必要的灵敏度。
定时限复合过电流保护
该保护由负序过电流元件及低电压启动的单相过电流元件组成。
a）负序过电流元件的动作电流按防止负序电流导致转子过热损坏的条件整定，一般按下式整定
（18）
式中：
Ign——发电机额定电流；
na——电流互感器变比。
间接冷却式汽轮发电机用；水轮发电机用。
其他发电机可用，A值由电机制造厂给定。
灵敏系数按主变压器高压侧两相短路的条件校验
（19）
式中：
——主变压器高压侧母线金属性两相短路时，流过保护的最小负序电流。
要求灵敏系数Ksen≥。
b）单相过电流元件的动作电流按发电机额定负荷下可靠返回的条件整定
（20）
式中：
Krel——可靠系数，取～；
Kr——返回系数，取～。
灵敏系数按主变压器高压侧母线两相短路的条件校验
（21）
式中：
——主变压器高压侧母线金属性两相短路时，流过保护的最小短路电流。
要求灵敏系数Ksen≥。
c）低电压元件接线电压，动作电压Uop可按下式整定。
对于汽轮发电机
（22）
式中：
Ugn——发电机额定电压；
nv——电压互感器变比。
对于水轮发电机
（23）
灵敏系数按主变压器高压侧母线三相短路的条件校验
（24）
式中：
——主变高压侧母线金属性三相短路时的最大短路电流；
Xt——主变压器电抗，取Xt＝Zt。
要求灵敏系数Ksen≥。
低电压元件的灵敏系数不满足要求时，可在主变压器高压侧增设低电压元件。
d）时间元件。
复合过电流保护的动作时限，按大于升压变压器后备保护的动作时限整定，动作于解列或停机。
当整定时限与保证发电机安全所允许时限（例如，转子负序过负荷允许时限）有予盾且没有负序电流反时限保护时，应以发电机安全的允许时限为准。
定时限复合电压启动的过电流保护
保护装置由负序电压及线电压启动的过电流元件组成。
单相电流元件的动作电流，低电压元件的动作电压的整定及灵敏系数校验与相同。
负序过电压元件的动作电压按躲过正常运行时的不平衡电压整定，一般取
（25）
灵敏系数按主变压器高压侧母线两相短路的条件校验
（26）
式中：
——主变高压侧母线二相短路时，保护安装处的最小负序电压。
要求灵敏系数Ksen≥。
保护动作时间同。
当以上保护不满足要求时，采用低阻抗保护。
低阻抗保护
见。
定子绕组单相接地保护
我国发电机中性点接地方式主要有以下三种：
——不接地（含经单相电压互感器接地）；
——经消弧线圈（欠补偿）接地；
——经配电变压器高阻接地。
在发电机单相接地故障时，不同的中性点接地方式，将有不同的接地电流和动态过电压以及不同的保护出口方式。
发电机单相接地电流允许值见附录A。
当机端单相金属性接地电容电流IC小于允许值时，发电机中性点应不接地，单相接地保护带时限动作于信号；若IC大于允许值，宜以消弧线圈（欠补偿）接地，补偿后的残余电流（容性）小于允许值时，保护仍带时限动作于信号；但当消弧线
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